量子測量問題是一個問題嗎？

本文來自微信公眾號：返樸 （ID：fanpu2019），作者：N. D. Mermin（康奈爾大學物理系榮休教授），翻譯 | 1/137

波函數(shù)坍縮是一個物理過程的觀點源于對概率及其在量子力學中所起作用的誤解。

—— 作者

量子物理學家分三種類型：(1) 認為量子力學被所謂的測量問題所破壞；(2) 像我一樣，認為不存在測量問題；(3) 認為這個問題不值得嚴肅考慮。你可以在馬克西米利安?施洛紹爾（Maximilian Schlosshauer）的《優(yōu)雅與謎團》（Elegance and Enigma）一書的第七章中找到前兩類的 17 位物理學家和哲學家的不同觀點。

這三類中的大多數(shù)人都會同意如下的觀點: 量子力學借助于量子態(tài)（states）完全地描述物理系統(tǒng)；態(tài)是對系統(tǒng)中所有可能問題的所有可能答案的概率的綱領(lǐng)；量子力學本質(zhì)上是統(tǒng)計的；沒有更深層的理論能給出更為全面的描述。

賦予一個系統(tǒng)的態(tài)通過兩種方式隨時間變化。如果對一個系統(tǒng)不做任何測量 [1]，那么它的態(tài)就會隨時間確定性地演化：連續(xù)地、按照給定的規(guī)則發(fā)展。如果對系統(tǒng)提出一個問題 —— 稱為進行一次測量 —— 那么當系統(tǒng)做出應(yīng)答時，這個態(tài)會不連續(xù)地變成某個態(tài)，它既取決于測量之前的態(tài)，也取決于系統(tǒng)對該測量的特定應(yīng)答。第二個過程被稱為態(tài)的塌縮 (collapse of the state)。（態(tài)的）塌縮通常是突然、不連續(xù)和隨機的。

一個物理系統(tǒng)和另一進行特定測量的物理系統(tǒng) —— 一臺測量裝置 (apparatus)—— 可以被量子力學處理為單一的復合系統(tǒng)。如果不對它進行測量，那么對于賦予系統(tǒng)的態(tài)，量子力學給出確定性的時間演化。然而，如果反之，對整個復合系統(tǒng)進行測量的話，賦予復合系統(tǒng)的態(tài)決定了概率；這一概率將賦予原來系統(tǒng)的態(tài)給出的可能答案與指示這些可能答案的測量裝置的態(tài)關(guān)聯(lián)起來。這些關(guān)聯(lián)概率就是量子力學對原來單獨系統(tǒng)給出的概率。因此，就概率而言，將量子力學用于單獨的原來的系統(tǒng)，還是用于原來的系統(tǒng) +（測量）裝置的復合系統(tǒng)，并沒有區(qū)別。

許多第（2）類中的物理學家會補充說：除了產(chǎn)生所有概率之外，量子態(tài)分配沒有任何后果。雖然許多（也許是大多數(shù)）物理學家將概率視為世界的客觀特征，但大多數(shù)概率學家或統(tǒng)計學家并不這么認為。正如著名的概率學家布魯諾?德?費奈迪 (Bruno de Finetti) 在 1931 年所說的那樣，“放棄關(guān)于燃素 (Phlogiston)、宇宙以太、絕對空間和時間……，或者仙女和女巫存在的迷信觀念是通向科學思考道路上的重要一步。概率亦然，如果把它看作是某種客觀存在的東西，那么這也同樣是一種誤導性的謬見，一種將我們實際的概率信念形象化 (exteriorize) 或物質(zhì)化 (materialize) 的虛幻嘗試”。

那些將其概率信念物質(zhì)化的物理學家也必須物質(zhì)化量子態(tài)，而后者不過是這些信息的編目罷了。但是，一個將概率視為個人判斷的物理學家，必然會將他或她分配的量子態(tài)視為其自身判斷的目錄。本世紀之交，凱夫斯 (Carlton Caves)、?？怂?(Christopher Fuchs) 以及沙克 (Rudiger Schack) 強調(diào)，系統(tǒng)的量子態(tài)只表達將量子態(tài)賦予該系統(tǒng)的特定物理學家的信念，這是量子力學詮釋的關(guān)鍵所在。

量子測量問題

測量問題源于審視測量的兩種不同方式：系統(tǒng)本身，還是系統(tǒng) + 測量裝置。如果系統(tǒng)本身被測量，它的態(tài)就會塌縮。但是若不檢查測量裝置，那么復合的系統(tǒng) + 測量裝置的態(tài)并不塌縮。哪個描述是正確的？哪個是真實的態(tài)？

第 (2) 類中的物理學家給出的答案是，物理系統(tǒng)不存在真實的態(tài)。人們選擇什么作為物理系統(tǒng)，以及給它分配什么態(tài)，都取決于對系統(tǒng)進行測量的特定物理學家的判斷，他們使用量子力學計算答案的概率。

這種連續(xù)和隨機時間演化之間的相互影響也是通常的經(jīng)典概率的一個特征。當統(tǒng)計學家為關(guān)于系統(tǒng)問題的答案賦予概率時，這些概率隨時間變化的規(guī)律是由孤立的、未經(jīng)檢測的系統(tǒng)其平穩(wěn)時間演化規(guī)則給出的。但這些概率也取決于統(tǒng)計學家從任何其他來源獲得的關(guān)于系統(tǒng)的進一步信息。概率的更新是經(jīng)典過程中突變和不連續(xù)的部分。從來沒有人擔心過經(jīng)典的測量問題。

如果量子態(tài)的全部內(nèi)容就是它產(chǎn)生的概率的目錄，那么每個使用量子力學的物理學家都扮演著統(tǒng)計學家的角色。某個物理學家獲取進一步的信息 —— 無論是通過讀取測量儀器的顯示，還是通過與其他物理學家的交流，或者僅僅是通過重新思考他已經(jīng)掌握的知識 —— 都可以導致這些概率的突然變化，并由此更新了（這名物理學家）用以表示它們的量子態(tài)。不存在量子測量問題。

第一類的物理學家用不同的方法處理他們的測量問題：

在他們的各方面都堪稱上乘的量子力學著作中，朗道（Landau）和栗弗席茲（Lifshitz) 堅持認為量子力學不應(yīng)被視為觀察者觀念上的工具。這導致他們宣稱測量是量子和經(jīng)典客體之間的相互作用。如何區(qū)分這兩種類型 —— 他們從來沒有解釋過 —— 是他們 (未加說明) 的測量問題。

另一些人則通過引入一種特殊的物理噪聲來排除觀察者的存在，這種噪聲只與包含宏觀上多自由度的子系統(tǒng)發(fā)生顯著的相互作用。這種特殊噪聲被設(shè)計用來為客觀態(tài)的客觀塌縮提供一種物理機制。他們通過引入一種新的物理過程來解決測量問題。

還有一些人通過完全消除塌縮來移除每個物理學家的個人判斷。他們用量子態(tài)來描述一個不可思議之大的持續(xù)分叉的宇宙（即多世界解釋 [2]），其中包含所有可能測量的所有可能結(jié)果。

這些解都認為量子態(tài)是它們所描述的物理系統(tǒng)的客觀屬性，而非每個量子力學個體使用者對這些物理系統(tǒng)做出的個人判斷的目錄。

使科學家“身在此山中”[3]

為什么我們必須客觀地理解科學規(guī)律？科學是一種人類活動，其定律用人類的語言來表達。作為經(jīng)驗主義者，大多數(shù)科學家相信他們對世界的理解基于他們的個人經(jīng)驗。為什么要堅持我對科學的解釋 —— 我用來理解我所經(jīng)驗（？）的世界 —— 永遠不應(yīng)提到我自己呢？“量子測量問題”的存在，要么沒有解決，要么有許多不相容的解決方案，有力地證明了科學家的經(jīng)驗在理解量子理論中確實發(fā)揮著重要作用，正如同統(tǒng)計學家的經(jīng)驗在理解通常的概率論中發(fā)揮著重要作用一樣。

許多物理學家駁斥了這一觀點，他們認為，早在有物理學家之前，量子態(tài)就已經(jīng)在早期宇宙中坍縮了。我想知道他們是否也相信，早在有統(tǒng)計學家之前，概率在早期宇宙中也被更新了。

玻爾（Niels Bohr）從未提及量子測量問題。最后，我用他的一句陳述來做總結(jié)，這句話簡明扼要地表達了上述觀點，即不存在這樣的（量子測量）問題，只要其中兩次出現(xiàn)的“我們”不被理解為我們所有人的集體，而是理解為我們每個人的個體：“我們描述自然的目的不是揭示現(xiàn)象的真正本質(zhì)，而是盡可能地追蹤我們經(jīng)驗的各方面之間的關(guān)系。”我相信，這個未經(jīng)確認的第一人稱復數(shù)的模糊性，是仍然困擾著量子力學詮釋問題的諸多誤解的背后原因。

進一步的資料

• 1.?M. Schlosshauer, ed., Elegance and Enigma: The Quantum Interviews, Springer, 2011, Chap. 7.

• 2. B. De Finetti, Theory of Probability, Interscience, 1990, Preface. (Translation of Probabilismo, Logos 14 (Napoli) 163-219 (1931).)

• 3. C. A. Fuchs and R. Schack, Quantum-Bayesian Coherence, Reviews of Modern Physics 85, 1693 (2013).

• 4. N. D. Mermin, Making Better Sense of Quantum Mechanics, Reports on Progress in Physics, 82, 012002 (2019).

• 5. N. Bohr, Atomic Theory and the Description of Nature, Cambridge U. Press, 1934, p. 18.

注釋

• [1] 原文為“If no question is asked of a system”。

• [2] Many-worlds interpretation.

• [3] 原文為 Keep the scientist in the science。

本文經(jīng)作者 N. D. Mermin 授權(quán)翻譯發(fā)表于《返樸》，譯自 arXiv:2206.10741，原標題為 A note on the quantum measurement problem；原作者以“There is no quantum measurement problem”為題發(fā)表于 Physics Today 75, 6, 62 (2022); https://doi.org/ 10.1063 / PT.3.5027。

出品：科普中國-星空計劃

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